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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2021.tde-01102021-180342
Document
Author
Full name
Loana Henriquez Sanchez
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2021
Supervisor
Committee
Fernandes Junior, Jose Leomar (President)
Fontenele, Heliana Barbosa
Furlan, Ana Paula
Klinsky, Luis Miguel Gutierrez
Oliveira, Francisco Heber Lacerda de
Title in English
Probability of failure analysis in flexible pavements through the reliability concept
Keywords in English
Axle overload
Axle type
Flexible pavements
Probability of failure
Reliability
Tire pressure
Abstract in English
Pavement design involves the risk of the pavement life be shorter or even larger than the design life, which can result in undersized or oversized structure configurations and, as a consequence, generate an adverse economic impact for any highway agency. However, even though the probability-of-failure theory, as well as the reliability concept, have been incorporated in many pavement design procedures, there is a need for an accessible way to understand these concepts and also an easy procedure to apply them. This research aims to develop an alternative approach for a probability-of-failure analysis in flexible pavements based on the reliability concept, in order to capture important aspects that are often ignored in traditional reliability analysis of pavement structures, such as the undersizing or oversizing of structural configurations. Accordingly, four representative Brazilian pavement structures were studied from four structural responses that were calculated taking into account the effect of six different axle types subjected to five overload conditions and to three levels of tire pressure. The mePADS software was used to calculate the structural responses and empirical Asphalt Institute's pavement life predictions in terms of the number of cycles to failure for fatigue cracking (Nf) and rutting (Nr) pavement distresses were carried out. The smaller values between Nf and Nr were adopted as Critical Resistances while Solicitations were determined from the variation of Safety Factors (SF). In sequence, margin curves (M) involving average values and standard deviations were generated in order to identify the areas where the probability of failure might occur and finally the reliability indices (β) and the probabilities of failure (Pf) were obtained. Principal results showed that tandem-spaced and tandem axles are related to low β and Pf values mainly compared to single and dual axles. Furthermore, three of four multivariate linear regression models indicate strong and positive correlations and adequate levels of significance. In general, it was observed that a reliability-based analysis can be easily performed from accurate resistances and solicitations data that can be obtained from any criteria that provide the cycles to failure of the pavement structure configuration. The approach developed in this research is easy to be adopted in the engineering practice and thus has the potential to become a practice tool in the reliability-based mechanistic-empirical pavement design.
Title in Portuguese
Análise da probabilidade de falha em pavimentos flexíveis através do conceito de confiabilidade
Keywords in Portuguese
Confiabilidade
Pavimentos flexíveis
Pressão de enchimento
Probabilidade de falha
Sobrecarga
Tipo de eixo
Abstract in Portuguese
Projetar pavimentos envolve o risco da vida útil do pavimento ser menor ou até maior do que a vida útil de projeto, o que pode resultar em configurações de estrutura sub ou superdimensionadas e, consequentemente, gerar um impacto econômico adverso para qualquer agência rodoviária. No entanto, embora a teoria da probabilidade de falha, bem como o conceito de confiabilidade, tenha sido incorporada em muitos procedimentos de projeto de pavimentos, há necessidade de uma maneira acessível de entender esses conceitos e também de um procedimento fácil de aplicá-los. Esta pesquisa visa desenvolver uma abordagem alternativa para a análise da probabilidade de falha em pavimentos flexíveis com base no conceito de confiabilidade, a fim de capturar aspectos importantes que muitas vezes são ignorados na análise de confiabilidade tradicional, como o sub ou superdimensionamento de muitas configurações estruturais. Assim, 4 estruturas de pavimento, representativas no Brasil, foram estudadas a partir de 4 respostas estruturais que calcularam-se levando em consideração o efeito de 6 diferentes tipos de eixos submetidos a 5 condições de sobrecarga e a 3 níveis de pressão de enchimento dos pneus. O software mePADS foi usado para calcular as respostas estruturais e a partir delas obtiveram-se as previsões empíricas da vida útil do pavimento pelo critério do Instituto do Asfalto dos Estados Unidos, em termos do número de ciclos até a falha para os defeitos trincas por fadiga (Nf) e deformação permanente (Nr). Os menores valores entre Nf e Nr foram adotados como Resistências Críticas, enquanto as Solicitações foram determinadas a partir da variação de Fatores de Segurança (SF). Na sequência, curvas margem (M) envolvendo valores médios e desvios-padrão foram geradas a fim de identificar as áreas onde a probabilidade de falha poderia ocorrer e, finalmente, foram obtidos os índices de confiabilidade (β) e as probabilidades de falha (Pf). Os principais resultados mostraram que os eixos tandem-espaçado e tandem estão relacionados a baixos valores de β e Pf principalmente em comparação com os eixos simples e de rodagem dupla. Além disso, três dos quatro modelos de regressão linear multivariada indicaram correlações fortes e positivas e níveis adequados de significância. Em geral, observou-se que uma análise baseada em confiabilidade pode ser facilmente realizada a partir de valores de resistências precisos e dados de solicitações que podem ser obtidos a partir de qualquer critério que forneça os ciclos de falha de uma certa configuração estrutural do pavimento. A abordagem desenvolvida nesta pesquisa é fácil de ser adotada na prática da engenharia e, portanto, tem o potencial de se tornar uma ferramenta prática no projeto de pavimentos empírico-mecanicista baseado em confiabilidade.
 
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Publishing Date
2021-10-14
 
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